氯碱--碱液蒸发工艺.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流氯碱-碱液蒸发工艺.精品文档.氯碱-聚氯乙烯工艺碱液蒸发工艺系 部:轻化工程系专业班级:普高06化工(1)姓 名:郭 小 军指导老师:马 金 才时 间:2008年12月22日新疆轻工职业技术学院目 录摘要1关键词1前言11工业概述11.1氯碱工业现状11.2烧碱工业生产方法11.3工业的特点11.4碱工业生产的基本过程22隔膜法电解制备烧碱22.1电解制碱原理32.2隔膜法电解原理32.3隔膜材料33电解碱液蒸发33.1电解液的蒸发浓缩制液碱43.1.1电解液蒸发原理43.1.2蒸发的主要目的43.1.3蒸发的热源53.1.4隔膜法制液碱53
2、.1.5碱液蒸发流程3.1.6采用顺流的优缺点.63.2固碱制造63.2.1固碱简介63.2.2连续式降膜法制固碱73.2.3 粒状固碱制造73.2.4 片状固碱制造74蒸发的计算84.1溶剂的蒸发量84.2加热蒸汽的消耗量84.3蒸发器的传热面积95蒸发的主要设备12小结16参考文献17致谢18摘要 在氯碱工业中电解碱液蒸发的主要目的是提高碱液的浓度,本论文重点论述了隔膜法电解制碱,蒸发采用三效顺流部分强制循环蒸发工艺。关键词 氯碱 蒸发 工艺 设备前 言烧碱即氢氧化钠,亦称苛性钠。工业烧碱有液体和固体,液体为氢氧化钠水溶液,固体呈白色、不透明,常制成片、棒、粒状,或熔融态。 烧碱广泛应用于
3、造纸、纺织、印染、搪瓷、医药、染料、农药、制革、石油精炼、动植物油脂加工、橡胶、轻工等工业部门,也用于氧化铝的提取和金属制品加工。 氢氧化钠吸湿性很强,易溶于水,溶解时强烈放热。水溶液呈强碱性,手感滑腻;也易溶于乙醇和甘油,不溶于丙酮;有强烈的腐蚀性,对皮肤、织物、纸张等侵蚀剧烈;易吸收空气中的二氧化碳变为碳酸钠;与酸作用而生成盐。 工业生产烧碱有苛化法和电解法。苛化法用纯碱水溶液与石灰乳通过苛化反应而生成烧碱;电解法用电解饱和食盐水溶液生成烧碱,并副产氯气和氢气。因此,电解法生产烧碱又称为氯碱工业。中国的烧碱工业发展非常迅速,至2001年烧碱总生产能力为963万to就其生产技术水平分析,19
4、96年烧碱总产量中,水银电解法1 189万t,占23;隔膜电解法443.62万吨,占85.2;离子膜电解法65.35万吨,占12.5。显然隔膜电解法在烧碱工业中占主导作用,而离子膜电解法是当今世界公认的先进技术。在我国1996年离子膜生产能力为86.8万吨,1998年增至170万t,2001年达3489万to由于水银法电能消耗高,汞污染严重,目前其产量仅占烧碱产量的23,故本文重点讨论隔膜法。1 氯碱工业概述1.1氯碱工业现状 目前和国际烧碱市场上出现了近几年来少有的需求旺盛局面。目前,我国正处于烧碱工业大发展的时期,西北地区的增长速度尤为突出。经济整体向好,尤其是发达国家的经济全面复苏,这使
5、化工、医药、造纸、金属氧化物的电解、冶金等工业都扩大了对烧碱等基础化工产品的需求,烧碱的增产速度将会更快,同时全球烧碱市场的价格将继续攀升。1.2碱工业生产方法烧碱工业生产电解法生产烧碱,在制得烧碱的同时,还生产氯气和氢气,而氯气又可进一步加工成盐酸、聚氯乙烯、农药等其他化工产品。所以工业上,电解法生产烧碱也称氯碱工业。 隔膜法电解是利用多孔渗透性的隔膜材料作为隔层,把阳极产生的氯气与阴极产生的氢氧化钠和氢气分开。 水银法的电解槽由电解室和解汞室组成。以汞作为阴极,钠离子放电还原为金属钠,并与汞作用生成钠汞齐。钠汞齐从电解室排出后,在解汞室中与水作用生成氢氧化钠和氢气。因为在电解室中产生氯气,
6、在解汞室中产生氢氧化钠溶液和氢气,这就解决了将阳极产物和阴极产物隔开的关键问题。水银法的优点是电解槽流出溶液产物中浓度较高,其质量分数可达50,不需蒸发增浓;产品质量好,含盐低,盐含量的质量分数约0.003。但水银是有害物质,应尽量避免使用,因此水银法已逐渐被淘汰。离子交换膜法是应用化学性能稳定的全氟磺酸阳离子交换膜,用离子膜将电解槽的阳极室和阴极室隔开。由于离子膜的性能较好,不允许氯离子透过。该法所得烧碱纯度高,投资小,对环境污染小。因此,离子膜法制烧碱是氯碱工业的发展方向方法。 1.3碱工业的特点 氯碱工业除原料易得,生产流程较短外,主要有以下三个特点: (1)能耗高 氯碱工业的主要能耗是
7、电能,其耗电量仅次于电解法生产铝。目前,国内的生产水平为:隔膜法每生产1t100的烧碱需耗电约2580 kWh,蒸汽5 t,总能耗折合标准煤约为1.815t所以如何提高电解槽的电解效率和碱液热能蒸发利用率,采用节能新技术具有重要意义。 (2)氯与碱的平衡 电解法制碱得到的烧碱与氯气的产品的质量比恒定为1:0.88,但一个国家或地区对烧碱和氯气的需求量,是随着化工产品生产的变化而变化的。若氯气用量较小时,通常以氯气需求量来决定烧碱产量,以解决氯气的储存和运输困难的问题。对于石油化工和基本有机化工发展较快的发达国家,会因氯气用量过大,而出现烧碱过剩的矛盾。烧碱和氯气的平衡,始终是氯碱工业发展中的矛
8、盾问题。(3)腐蚀和污染严重 氯碱工业的产品烧碱、氯气、盐酸等均具有强腐蚀性,生产过程中所使用的石棉、汞,以及含氯废气都可能对环境造成污染。因此,防止腐蚀,保护环境一直是氯碱工业努力改进的方向。1.4工业生产的基本过程氯碱生产过程的核心部与氢气三种产品的处理加工系统。分是电解工序,各种生产方法的不同之处在于电解工艺的区别。除了电解过程之外,氯碱生产过程还应包括盐水的精制和烧碱、氯气2 隔膜法电解制备烧碱2.1电解制碱原理电解是电能转化成化学能的过程。水溶液电解时,溶液中的阴离子向阳极迁移,阳离子向阴极迁移。在电极上析出物系的种类取决于当时条件下各离子在该电极上的放电电位,析出的量则取决于通过电
9、解液的电量。2.2隔膜法电解原理现在多采用直立式隔膜电解槽,典型代表是虎克电解槽,隔膜将电解槽隔成阳极区和阴极区。阳极是石墨阳极或金属阳极,电解时在阳极上析出氯气;阴极是粗铁丝网或多孔铁板,在阴极上放电并形成氢气释出,离解生成的在阴极室积累,与阳极区渗透扩散来的形成 。食盐水连续加入阳极室,通过隔膜孔隙流入阴极室。为避免阴极室的向阳极区扩散,要调节电解液从阳极区透过隔膜向阴极区流动的流速,使流速略大于向阳极区的迁移速度。这同时也造成电解液含相当数量来电解的氯化钠,因而,氯化钠应回收并循环利用.2.2.1 电极反应食盐水溶液中,氯化钠和少量水电离,存在、Cl-.直流电通过时,阳离子向阴极迁移,电
10、位低的离子先在电极上放电析出。用石墨或金属阳极时,阳极上析出氯气,用铁阴极时,阴极上析出氢气,钠离子与氢氧根离子在阴极区生成氢氧化钠。2.3隔膜材料隔膜是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔型材料层,用它将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料的要求是:具有较强的化学稳定性,既耐酸又耐碱的腐蚀;有相当的机械强度,长期使用不宜损坏;须保持多孔及良好的渗透性,能使阳极液维持一定的流速且均匀地透过隔膜,并防止阳极液与阴极液的机械混合;具有较小的电阻,以降低电压损失;料易得,制造成本低。石棉的物化性质能够比较全面地满足上述要求,所以自20世纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。石棉的主要成分是含水的硅酸镁,具
11、有纤维状和柔软性,能耐酸耐碱。但石棉隔膜在长期使用后,由于各种杂质及悬浮物的沉积,会堵塞隔膜,的孔隙,使隔膜的渗透性恶化,阳极液流量下降,造成电解液温度升高,槽电压升高。因此,隔膜要定期更换。一般石墨阳极电解槽中的石棉隔膜的使用寿命为46个月,金属阳极电解槽的石棉隔膜由于没有石墨粉末的堵塞现象,寿命可达1年。为进一步延长石棉隔膜的使用寿命,在石棉隔膜的制造中加入一定比例的聚四氟乙烯和聚多氟偏二氯乙烯纤维以增加机械强度及溶胀性,使用寿命可达12年。3.电解碱液蒸发3.1电解液的蒸发浓缩制液碱3.1.1电解液蒸发原理隔膜法电解液含约1012(120145 ),却含大量要浓缩到30或42才成为商品烧
12、碱,也可再熬制成固体烧碱。浓缩过程中,大部分食盐因互溶度影响而析出。 蒸发过程都是在沸腾状态下进行的。由于电解液中含有, ,等多种物质,所以溶液的沸点是随着蒸发过程中溶液浓度的提高而升高,同时也与蒸发的操作压力有关。表(一)列出了在 水溶液中的溶解度随质量分数变化的数据关系。表(一) 在 水溶液中的溶解度20601001018.0518.7019.962010.4511.1112.42304.294.976.34401.442.153.57500.911.642.91应当指出,在电解液蒸发的全过程中,烧碱溶液始终是 的饱和水溶液,随着烧碱浓度的提高,不断地从电解液中结晶出来,从而提高了碱液的纯
13、度。3.1.2蒸发的主要目的电解碱液蒸发的主要目的,一是提高碱液的浓度,使其达到成品碱液浓度的要求,二是把电解碱液中未分离的氯化钠和烧碱分离开。氯化钠在氢氧化钠水溶液中的溶解度随着氢氧化钠含量的增加而明显减少。通过蒸发,碱液中的水分大量蒸出,使碱液浓度提高,氯化钠在碱液中的溶解度急剧下降,冰结晶分离出来。3.1.3蒸发的热源 目前,氯碱厂的蒸发工序均以蒸汽为热源,流程按碱液和蒸汽的走向分为逆流蒸发和顺流蒸发两大类,按蒸汽的利用次数来分,又有双效、三效、四效等多种。蒸发工序的主要技术经济指标是汽耗。国内小型氯碱厂多采用双效顺流流程。蒸发4t10%-12%的隔膜法电解液,浓缩至30%需耗蒸汽4.5
14、t,如浓缩至42%则需耗蒸汽5.5t。本文采用三效顺流部分强制循环蒸发工艺流程。3.1.4隔膜法电解液制液碱 隔膜法电解液组成为: 125135g/L; 190210g/L, 46g/L; 0.050.25g/L。为了提高热能利用率,电解液蒸发常在多效蒸发装置中进行。随着效数的增加,单位质量的蒸气所蒸发的水分也越多,蒸汽利用的经济程度自然越佳;蒸发效数过多,其经济效益的增加并不明显。现在通常采用的是三效顺流蒸发。两段蒸发是指电解碱液经过两次蒸浓,第一次从含约12浓缩至2530,第二次从含 为2530浓缩至42。三效是指第一次蒸浓是由1,2,3三级(即三效) 蒸发串联的;四体是指三级蒸发串联由4
15、个蒸发器组成,其中一效为2个蒸发器并联。 澄清的中间碱液连续送入浓效蒸发器,进一步浓缩,使浓度达到42。浓碱液送人贮槽沉降出氯化钠后即可作为液碱产品。送往一效蒸发器的加热蒸汽约为0.5。三效和浓效的二次蒸汽进入捕沫器分出夹带 的碱液,再进入大气冷凝器。通常三效和浓效蒸发器在0.086 60.0907真空度下操作。3.1.5 碱液蒸发流程加料泵将电解液送入预热器被冷凝水预热后,进入蒸发器自然循环加热蒸发。蒸发器用轴流泵强制循环加热蒸发,浓缩后碱液靠压差和过料泵作用依次流入下一效。蒸发后浓缩碱液排入储槽,并冷却至2530。澄清后42%的碱液即为成品。三效蒸发结晶出来的盐泵,分别经旋液分离器增稠后,
16、经离心分离机出氢氧化钠的结晶,母液分别送二.三效,固起盐用蒸发冷凝水溶解为含氯化钠270g/L左右的含碱盐水送往盐工序。蒸发的走向为生蒸发进一效,一效,二效产生的二次蒸发分别供给二效,三效加热用。三效产生的二次蒸汽经大气冷凝器用真空泵抽出,并用水冷却。流程图如图一所示:图一 碱液蒸发流程3.1.6采用顺流的优缺点 顺流加料的优点: 由于后一效蒸发室的压强交钱一效的低,所以溶液在校间的输送不需要用泵,就能自动从前效吸入后效。 由于后一效溶液的沸点较前一效的低,所以前一效的溶液进入后一效时,会因过热而自动蒸发。所以可以产生较多的二次蒸汽。 由末效引出的完成液因其沸点最低,所以带走的热量最少,减少了
17、热量损失。顺流加料的缺点:由于后一效溶液的浓度较前一效的大,且温度又低,所以料液粘度沿流动方向逐效增大,致使后效的传热系数降低。并且加热蒸汽用量的减少、热能经济性的提高是以增大传热面积、增加设备费用为代价的。3.2固碱制造3.2.1固碱简介固碱作为产品出售一般适用于运输距离远或交通极不方便的地方,或其他特殊用途。 固碱是将含50左右的液碱浓缩到985的产品。降膜法制固碱是目前使用最广的流程,流程简单、操作容易、占地面积小。热利用率高(可达6065)、操作人员少,可自动化,故投资少,成本低。降膜蒸发的二次蒸汽在管内流速很快,常压为2030ms,减压为80200ms。高速的二次蒸汽具有良好的破泡作
18、用,因此适用于易产生泡沫的溶液蒸发。3.2.2连续式降膜法制固碱合格的45或50的液碱与10浓度的糖液按质量分数02配比?混合进入预浓缩器,用降膜蒸发器闪蒸出来的二次蒸汽加热,在8.1真空(绝)下,使碱液浓缩到61,再进入降膜蒸发器中,在此用430高温熔融盐加热蒸发,碱液沿管壁呈膜式流下浓缩成为含98的熔融状碱。再经下部贮槽闪蒸后可浓缩到99.5,由液下泵抽出送到固碱成型工序。降膜法设备一般为镍制。高温浓碱中含氯化钠及氯酸盐,为防止对镍制设备的腐蚀,常加入蔗糖以除去碱液中的氯酸盐。从蒸发来的浓碱液进人中间贮槽后用碱泵输送到高位槽,依靠位差流人预热器预热后送到预蒸发器。预蒸发使碱液浓缩到60之后
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